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[電子學] 淺談二極體 Diode - I/V characteristics

半導體二極體 (Diode) 基本上即為一個 PN junction 如下圖所示




上圖中 箭頭方向表示 diode 的電流方向,亦即 diode 為兩端子 單向導通的 (非線性)元件。

理想二極體 (Ideal Diode)特性:
下圖為 Ideal diode 的電流電壓特性圖 ($i,v$ characteristics)

施加 "負"電壓 (逆向偏壓 reverse biase) 在 diode 兩端上,diode不導通 $\Rightarrow$ 電流為 $0$ $\Rightarrow$ 此時 diode 呈現開路(open circuit)狀態。施加 "正" 電壓 (順向偏壓 forward bias)在 diobe 兩端上,則 diode 導通$\Rightarrow$ 此時 diode 呈現短路(short circuit)狀態。

真實二極體 (Real diode) 的電流/電壓 (I/V characteristics)特性如下圖
當diode兩端施加電壓  $v>0$ (上圖右方 forward bias 部分),我們可以近似其 電流電壓關係為
\[
i = I_S \left[ e^{v/V_T}-1\right]
\]其中 $I_S$ 為 反向飽和電流 (reversed saturation current),$V_T$ 為 熱電壓 (thermal voltage)滿足下式
\[
V_T := \frac{kT}{q}
\]其中 $k$ 為 Boltzmann's constant = $1.38 \times 10 ^{-23}$ Joules/Kelvin,$T$為絕對溫度 (Kelvin, K),$q$ 為 單位電荷帶電量=$1.60 \times 10^{-19}$ Coulomb。

一般而言在室溫下 $(300 )$ K 時,thermal voltage 為 $V_T = 25$ mV (=$0.025$ V)。

現在我們觀察上圖,我們可以得到下列結論:
當輸入 diode 的電壓低於 $0.5 {\rm v}$時,其 diode 電流 $i$ 幾乎可以忽略,此 $0.5 \rm v$ 稱為 切入電壓 (cut-in voltage)當輸入 diode 電壓 高於 cut-i…

[半導體] N-P type semiconductor

半導體 (Semiconductor): 
導電度(electric conductivity) 介於 導體(conductor or metal) 與 絕緣體 (insulator) 之間之物質 ,低溫時,導電度不佳,但若提高溫度時(提高溫度視為給予外界能量),則導電度良好e.g., 元素週期表 IV族元素 Si, Ge 。

一般可用有無 添加(doping) 雜質分為
本質半導體 (Intrinsic Semiconductor) 雜質 or 外質半導體 (Extrinsic Semiconductor)
Comments:
1. 本質半導體(intrinsic semiconductor) 一般可視為 純矽(pure silicon) (亦即無任何雜質的矽) 的同義字;另一方面外質半導體一般又稱作 (Doped silicon) 另外對於 外質半導體 我們可在由添加的成分不同分成
N-type semiconductor: 添加 V族元素 e.g., 磷P, 砷As P-type semiconductor: 添加 III族元素 e.g., 硼B, 鎵 Ga  2. 本質半導體 電子與電洞濃度相同 $n = p: = {n_i}(T) \approx 1.5 \times {10^{10}}\;(\# /c{m^3})$。關於電子與電洞濃度會在稍後在做進一步介紹。

3. 導電度 (Conductivity, $\sigma$) 定義為 每單位電場強度 $E$ 造成的飄移電流密度(drift current density, $J$)。一般材料用 電阻率 (Resistivity, $\rho$) 來表示 材料阻擋電流的程度,定義為 \[
\rho := 1/\sigma
\]

3. 導體的例子: 銅 (Cu) e.g., 銅導線

不過在介紹 N-type 與 P-type 半導體之前,我們需要一些對半導體的專有名詞的介紹:


Si 的原子結構與特性 Si 原子結構: Si 原子數: 14,其原子結構的最外層有4 個價電子(Valence electron) 上圖顯示了矽晶圓的原子結構 (以二維表示),每一個 矽原子與他人以共價鍵 (Covalent bonds) 方式結合。

自由電子 (free electron) 與 電洞(hole) 當施加外在能量(e.g., 提…